Благодаря достижениям последнего десятилетия выращивание из стволовых клеток в пробирке небольших трехмерных органоидов, напоминающих маленький мозг, становится все более распространенным явлением. В основном их используют для изучения различных заболеваний нервной системы. Однако исследователи из Университета Индианы в Блумингтоне решили с помощью них создать полубиологические компьютеры. Если кремниевые чипы могут, например, быстро складывать большие числа, то человеческий мозг способен анализировать сложную информацию более энергоэффективным способом.
Фэн Гуо и его коллеги создали полубиологический компьютер Brainoware, исходя из предположения, что органоид, выращенный в пробирке, реагирует на электрические сигналы так же, как и настоящий мозг. Поэтому они поместили его на пластину, покрытую тысячами электродов. Команда преобразовала полученную информацию в серию сигналов, а затем измерила реакцию тканей мини-мозга.
С помощью алгоритма машинного обучения ученые заставили систему проанализировать 240 записей речи. После двух дней обучения органоид смог с точностью 78% определить, кто из восьми человек произносит японские гласные.
Полубиологический компьютер также мог решать математические уравнения и предсказывать отображение Эно — одной из наиболее изученных переменных систем, демонстрирующих хаотическое поведение. Решение дало чуть более точные результаты, чем искусственная нейронная сеть без кратковременной памяти, но немного менее точные по сравнению с моделью с памятью. Однако стоит иметь в виду, что на обучение Brainoware потребовалось на порядок меньше времени.
По словам команды, полученные результаты пока не позволяют сказать, сможет ли гибридная система обрабатывать и хранить подобную информацию в долгосрочной перспективе. Также пока неясно, сможет ли один и тот же мини-мозг научиться решать несколько задач разного содержания одновременно. Еще одной проблемой является поддержание жизни органоидов. Чем сложнее решаемые задачи, тем больше должен быть клеточный комок. Для снабжения глубоких слоев питательными веществами и кислородом необходимо искать особые решения.
Если полубиологические компьютеры – это все же дело будущего, то пока же, по словам команды, система может быть полезна для изучения человеческого мозга. Структура органоида больше похожа на настоящий мозг, чем двумерные клеточные структуры, растущие в пробирке.
Однако Фэн Го и его коллеги надеются продолжить изучение того, можно ли использовать органоиды для решения более сложных задач и как сделать систему более надежной. В более отдаленной перспективе они могут стать частью аппаратного обеспечения, на котором будут работать приложения, основанные на искусственном интеллекте. Помимо прочего, это позволило бы, по словам Го, на порядки снизить энергопотребление систем ИИ.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Electronics.